基于嵌入式系统的USB to UART通信设计方案

　　3 软硬件设计

　　实际上应用工程师并不需要了解如此多的关于USB的底层内容和协议。只要基本掌握和看懂图1所示的原理，借助PSoC：USB和USBUART，就可以在很短的时间内实现基于USB接口的PC与嵌入式系统的连接通信。下面具体介绍该方案的软硬件设计和实现。

　　3.1 硬件设计

　　图2是采用CY7C64215实现该方案的原理图。

　　图中的CY7C64215是带有1个全速USB接口的PSoC芯片，左边的USB—B为USB连接座，其中D+和D一为2个USB信号线，通过 2个51 Ω电阻与CY7C64215的2个USB引脚D+和D一连接。整个系统电源是通过USB连接座上的5 V引脚获取，即由PC机的USB口提供工作电源。需要特别注意的是，电路中使用了1片电压调整芯片，将从USB口上输入的5 V电压调整为3.6 V后，再作为CY7C64215的工作电源。这是因为USB协议中规定了USB信号线D+和D一的电平为O～3.6 V，CY7C64215采用3.6 V的工作电压是为了保证USB信号线的电平匹配。如果CY7c64215直接使用5 V电源工作，那么在D+和D一信号线上必须对地增加2个3.6 V稳压二极管，分别将它们钳位在3.6 V，这样才能保证PC正确识别该USB设备和USB通信的正常。

　　图中右边的ISSP为PSoC的编程下载口，PSoC器件支持ISSP在线串行下载，编译生成的HEX文件可以通过该编程口烧录到PSoC内部的Flash中。图中的LED是USB工作指示灯，在USB通信过程中会闪烁。

　　3.2 PSoC软件系统设计过程

　　软件系统设计过程全部是在PSoC的集成开发环境PSoC Designer 5中完成的。首先建立1个新的项目，选择带有USB接口的CY7C64215芯片。在芯片中选择添加USBUART用户模块，并为该模块填写相应的参数。表1给出了USBUART的几个参数及意义，其中MaxPower仅当选择设备由USB总线供电时有效。

　　在这个示例中，除了选择必需的USBUART用户模块外，还选择使用了1个LED用户模块，该模块用于控制LED指示USB的工作状态。根据硬件电路，配置该模块的输出为CY7C64215的P1_2引脚，用于驱动LED。

　　选择配置完2个用户模块后，就可让PSoC Designer生成应用程序框架了。在这个过程中，PSoC Designer会自动综合所有的配置信息，更新和产生所使用用户模块的底层汇编语言驱动代码和API函数，并同时生成一个C语言的主程序框架。

　　接下来就是编写USBUART设备的上层应用程序代码了。在PSoC Designer中，打开已经生成的main.c主程序，添加如下所示的简单代码：

　　这段简单的C代码功能首先启动LED和USBUART用户模块工作，开放CPU的中断允许，然后等待USB初始化。USB接口初始化成功(与 PC连接成功)后，程序开始循环查询和接收PC下发的数据，然后将收到的数据再回送给PC，同时控制LED的闪烁，从而实现简单的、可作为USBUART 设备性能测试的Echo功能。

　　最后编译整个系统程序，生成HEX文件，通过ISSP下载烧录到CY7C64215中。整个软件系统设计过程便告完成。

　　3.3 USBUART的连接与测试

　　使用l根普通的USB延长连接线，将CY7C64215的USB口连接到PC机的USB口上，PC显示发现新的USB设备，并提示安装驱动。 USBUART设备的驱动程序是PSoC Designer自动生成的，保存在工程文件目录的L1B子目录下，文件名为USBUART_XP_Vista.inf(或US—BUART.inf)。用户只要按照提示的要求，选择这个USB设备文件就可以安装USBUART的驱动了。打开PC机的硬件配置，会发现PC的硬件设备中多了1个COM口。

　　接下来的测试是在PC机上打开串口调试工具(如超级终端)，连接到该COM口，然后手动发送1个任意字符。CY7C64215控制的LED则开始闪烁，在超级终端上也同时收到由USBUART回送的该字符。

　　更进一步的测试是，将超级终端的波特率设置成115 200 bps，每隔1 ms自动发送1个字符。此时CY7C64215控制的LED全亮(由于闪烁间隔时间太短)，超级终端也会连续收到字符。通过对比在超级终端中发送和接收到的字符个数是否相同，可以验证是否丢失数据。

　　4 总 结

RS232是单个设备接入计算机时最常采用的一种方式，由于其通信规程协议比较简单，很多传统的仪器设备和嵌入式系统都采用了这种通信方式。将 USB转UART技术应用于嵌入式系统与.PC机之间的数据通信，在计算机上产生1个虚拟的COM口，用户只需像使用通用串行口一样使用USB口即可。这样不仅能使嵌入式系统具备USB通信的诸多优点，简化了USB编程，同时还可以利用USB对嵌入式系统提供5 V的电源(500 mA以下)。而PSoC USB和USBUART则提供了非常方便和快捷的实现方法，并具备以下几个特点。

　　该方案使得工程师能够绕过复杂的USB底层接口和协议，采用简便的RS232(UART)方式进行上层系统设计，继承了传统方案的优点，不会给设计人员带来困难。同采用配置1根“USB toRS232”转换电缆的方案相比，USBUART的硬件设计和结构更为简单，物理接口占用的空间也大大减小。在电路上不仅省掉了UART与RS232的电平转换环节(MAX232)，还可以使一些小型、微型的嵌入式系统直接采用由PC机的USB口供电的工作方式，进一步省掉了电源系统，有效降低了整个系统的硬件成本。

　　USBUART本身还提供了20多个应用编程接口(API)子程序，它们作为该用户模块的一部分，使设计人员只需要在更高层次上与USBUART模块打交道。而且CY7C64215、CY8C24x94除了具备USB端口外，还含有多个可编程配置的数字和模拟模块、32 KB的Flash、1 KB的SRAM、2个8×8的乘法器、1个32位加法器、超过56个可编程的I/O(CY8C24x94)等强大的资源。仅仅1片芯片，不但可以实现基于 USB的通信，还可以同时完成各种不同的模拟和数字，以及模数混合的应用(如CapSense、CY8C24x94)。

　　本方案非常适合在设计新的产品和系统时采用，作者已经成功地将其融入到多个新设计的系统和产品中使用。